公鐵同層橋梁列車軌道優(yōu)化布置風洞試驗研究*

周 旭 李的平 何旭輝 敬海泉*

(中南大學土木工程學院1) 長沙 10075) (中鐵第四勘察設計院集團有限公司2) 武漢 430063)(高速鐵路建造技術國家工程實驗室3) 長沙 410075)

0 引 言

我國地域遼闊，風環(huán)境復雜，隨著我國高速鐵路網的全面建設，強風環(huán)境下列車的運行安全問題日益突出[1].橋梁結構由于剛度較小，車橋耦合振動明顯，因此，橋上行車的抗風安全問題變得更加嚴峻[2].為保證強風作用下列車的運行安全，目前國內外的研究一方面從列車自身的角度出發(fā)，通過對列車幾何外形的優(yōu)化，改善列車的氣動性能[4-6]，另一方面，通過在橋上安裝附加氣動裝置，改善列車運行時的風環(huán)境，鄒云峰[7-9]等研究了各種類型的風屏障對橋上風環(huán)境的影響，以及對列車風致受力性能的改善.

公鐵同層橋梁橋面較寬，截面繞流沿主梁寬度方向變化明顯，列車在橋面的不同位置處，車橋氣動干擾的特點具有明顯的差異，列車風荷載也隨之不同.然而，既有的研究成果對公鐵同層車-橋系統(tǒng)的氣動力特性的報道很少.因此，本文以金海大橋為工程背景，通過風洞試驗深入研究公鐵同層車-橋系統(tǒng)的氣動力特性，從抗風的角度優(yōu)化列車軌道布置位置.

1 工程背景

金海大橋為主跨3 m×340 m的四塔斜拉橋，采用挑臂式鋼箱梁，全長1 371.8 m.全橋立面布置見圖1.公路與鐵路同層合建，橋面總寬49.6 m.鋼箱梁主箱采用單箱三室截面，頂板采用正交異性鋼橋面板.鋼箱梁沿順橋向每隔3.0 m設置一道箱內斜撐，沿順橋向每隔6.0 m設置一道箱外斜撐.橋梁斷面見圖2.橋塔每側各設13對斜拉索，全橋共104對，按雙索面扇形布置，縱向索距12 m.主橋采用剛構+連續(xù)梁體系，即中塔塔梁墩固結，邊塔塔梁固結，塔墩分離，在梁底設雙排支座，支座縱向間距10.4 m.

圖1 金海大橋立面布置圖(單位:m)

圖2 金海大橋主梁標準斷面圖(單位:m)

金海大橋位于珠海市，瀕臨南海，屬于臺風多發(fā)區(qū).2017年臺風天鴿瞬時風速達51.9 m/s，打破珠海市風速記錄.因此，橋位處設計風速較大，對于車-橋耦合抗風問題需要重點考慮.

2 試驗概況

橋梁為細長結構，即在一個方向上有較大的尺度，而在另兩個方向的相對尺度較小.風對橋梁和列車的作用近似滿足片條理論，可通過節(jié)段模型風洞試驗進行抗風研究.

依據(jù)相似原理，按1∶50的縮尺比制作橋梁節(jié)段模型，節(jié)段模型長L=2.04 m、高H=0.09 m、寬B=0.99 m，長寬比L/B=2.06>2.主梁在跨中截面布置測壓孔，截面幾何形狀突變處適當加密，見圖3，共計109個測壓孔.列車采用CRH2機型，同樣以1∶50的縮尺比進行縮尺，列車長度與主梁節(jié)段長度相同，為2.04 m，高度和寬度分別為0.070 m和0.068 m.在縱向中心截面布置測壓孔，測壓孔共計30個，見圖4.各測壓孔與電子高頻壓力掃描閥(Scanivalve,ZOC33/64PxX2)間用PVC管連接，測得壓力時程.每個測壓孔采樣點數(shù)為20 000，采樣頻率為625 Hz.PVC管內徑為0.6 mm，外孔徑為1.8 mm，長度低于1.5 m.

圖3 主梁測壓孔布置圖

將列車模型固定于主梁節(jié)段模型上，在0°風攻角下測取列車在橋面上不同位置各測壓孔的壓力時程.各試驗工況下列車位置見表1和圖5.其中，量綱一的量距離表示列車中心到橋面迎風側端部的距離與橋面總寬的比值，3#和4#列車位置為原設計列車軌道位置，其余列車位置對稱、均勻分布于橋面中心兩側.為了便于列車在橋面不同位置處的安裝固定，移去欄桿、軌道板等橋面系裝置.

表1 列車測試位置

節(jié)段模型在風洞實驗室中剛性固定，左右兩側端板迎風端打磨成表面光滑的流線型，保證模型處于二維流場中.車橋節(jié)段模型測壓系統(tǒng)見圖6，各試驗工況的試驗風速均為10 m/s.

圖6 節(jié)段模型測壓系統(tǒng)

3 試驗數(shù)據(jù)分析

引入量綱一的量的靜力三分力系數(shù)，描述具有同樣形狀截面的靜力風荷載的共同特征，體軸坐標系下，靜力三分力系數(shù)定義為

(1)

式中：FH，F(xiàn)V，MT分別為單位長度模型的升力、阻力和轉矩；CH，CV，CM分別為體軸坐標系下的阻力系數(shù)、升力系數(shù)和轉矩系數(shù)；ρ為空氣密度；U為自由來流風速；H*,B*分別為模型的特征高度和特征寬度.值得注意的是，為了方便對比，單主梁和車橋系統(tǒng)的靜力三分力系數(shù)均采用橋梁特征參數(shù)進行量綱一的量化.

在風軸坐標系下，扭矩系數(shù)不變，阻力系數(shù)和升力系數(shù)的轉換關系為

(2)

式中：CD，CL分別為風軸坐標系下的阻力系數(shù)和升力系數(shù).

3.1 車橋系統(tǒng)和列車靜力三分力系數(shù)

對主梁和列車截面各個測壓孔的壓力時程數(shù)據(jù)測壓積分，再根據(jù)式(1)～(2)計算風軸坐標系下主梁和列車的三分力系數(shù)，同時將主梁與列車風荷載疊加再以橋梁特征參數(shù)進行量綱一的量化，計算得到車橋系統(tǒng)靜力三分力系數(shù).

在0°風攻角、風軸坐標系下，列車在橋面不同位置處車橋系統(tǒng)三分力系數(shù)見圖7.隨著列車相對于主梁迎風側的后移，阻力系數(shù)呈階梯狀增大，列車在橋面橫向中心附近，即4#和5#位置，阻力系數(shù)變化較小；升力系數(shù)為正值，隨著列車的后移不斷增大，且在下游半幅橋面趨于定值0.9左右.與單橋氣動力系數(shù)相比，隨著列車位置的不同，阻力系數(shù)增加了42%～80%，升力系數(shù)從0增加到最大值0.92，轉矩系數(shù)變化相對較小.

CD0，CL0，CM0分別為無車時主梁的阻力系數(shù)、升力系數(shù)和扭矩系數(shù)圖7 列車不同位置處車橋系統(tǒng)三分力系數(shù)

在0°風攻角、風軸坐標系下，列車在橋面不同位置處列車三分力系數(shù)見圖8.隨著列車位置的后移，阻力系數(shù)和轉矩系數(shù)的絕對值不斷減小，且近似呈線性遞減趨勢.當列車位于上游半幅橋面時，升力系數(shù)負值；位于下游半幅橋面時為正值.列車分別位于3#和4#位置(橋面中心兩側)時，升力系數(shù)增長幅度較大，而在其他列車位置時增長幅度相對較小.

圖8 列車三分力系數(shù)

橫風作用下，列車橫向力和傾覆力矩對行車的舒適性和安全性有較大影響，升力系數(shù)的影響較小，因此，從試驗結果來看列車相對于主梁迎風側的后移可以顯著提高其抗風穩(wěn)定性；但是，列車相對主梁迎風側的后移同時會導致橋梁阻力系數(shù)和升力系數(shù)的顯著增加，對橋梁抗風安全不利；綜合考慮行車安全和橋梁安全，上下行列車位于3#和4#位置時，應為最優(yōu)軌道布置方案.

3.2 主梁和列車表面的壓力分布

列車在橋面的不同位置，主梁和列車的三分力系數(shù)均有較大的差異，說明列車和主梁之間存在著顯著的氣動干擾，且該氣動干擾的強弱和特征隨著列車在橋面位置的改變而改變.為進一步分析橫風作用下車橋之間氣動干擾的特點，分析了列車和主梁表面的壓力系數(shù)分布.為簡潔直觀地得到列車在橋面位置的不同對車橋氣動干擾的影響，現(xiàn)僅給出無車、1#列車位置和6#列車位置時列車和主梁表面的壓力系數(shù)分布進行對比分析，見圖9～ 11.

圖9 0°風攻角下無車時主梁壓力系數(shù)分布圖

圖10 0°風攻角下列車在1#位置時主梁和列車壓力系數(shù)分布圖

無車時主梁上表面迎風前側區(qū)域有較大的負壓，下游部分壓力系數(shù)很小.有車時，主梁上表面在列車前側區(qū)域為正壓，列車后側區(qū)域為負壓.對于主梁下表面的流場分布，列車的有無和列車橋面位置對其上游前側區(qū)域影響較小，壓力系數(shù)的分布規(guī)律基本一致，但隨著列車位置向下游的移動，主箱背風區(qū)域產生較大的負壓.

列車在橋面的不同位置時，對比分析列車表面壓力系數(shù)分布可以看出，列車在不同測壓位置的壓力系數(shù)分布規(guī)律基本相同：前側迎風受正壓，壓力系數(shù)為正值，列車頂面和背風壓為負值.列車在橋面下游半幅區(qū)域時，其底部區(qū)域受正壓的作用.同時，列車相對于主梁迎風側的后移，其迎風面的正壓值和背風面的負壓值均有不同程度的減小，迎風面最大正壓值處減小幅度達16%，說明列車的后移，改善了橋上列車周圍的風環(huán)境，減弱了橫風效應.

4 結 論

1) 隨著橋上列車相對于主梁迎風側的后移，車橋系統(tǒng)阻力系數(shù)呈階梯狀增大，升力系數(shù)朝正值方向不斷增大至穩(wěn)定值0.9；列車距離主梁迎風端越遠，車橋系統(tǒng)阻力系數(shù)和升力系數(shù)越大，對橋梁抗風安全越不利.

2) 隨著列車相對于主梁迎風端的后移，列車的阻力系數(shù)和扭矩系數(shù)不斷減小，對保障行車舒適性和安全性有利.

3) 列車對其前側氣流和后側氣流分別具有阻滯作用和遮擋作用，使得主梁上表面相應區(qū)域分別為正壓區(qū)和負壓區(qū)，且正壓區(qū)和負壓區(qū)的區(qū)域范圍隨著列車在橋面位置的變化而變化.列車對主梁下表面上游區(qū)域的壓力分布影響較小，下表面下游區(qū)域由于列車后移造成尾流流場結構的變化，產生負壓.

4) 綜合考慮列車的行車安全和橋梁的抗風安全，公鐵平層橋梁的列車軌道緊靠中線對稱布置為最優(yōu)布置方案.